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1 引言

     智能CAD 系統的效率在很大程度上依賴于零部件生成與修改的效率。用戶在輸入特征單元時,不必考慮特征單元中幾何元素的確定位置, 而只需保證其拓撲結構正確, 同時交互輸入相應的尺寸參數, 通過尺寸參數值的變化來生成結構相同而參數不同的特征單元族。對于作為特征單元的標準件,因為數據有據可查, 需將邏輯上相關的標準件按類建成數據庫, 并且進行互聯編程, 實現各模塊間數據的有效變換。用特征單元模型可以自動模型化零件。根據模塊化程序的形式可以保存和存儲圖形形狀的描述。形狀和尺寸在工程語義允許的范圍內可以自動變化。這些特征單元具有功能、加工和形狀特性。

    經過對兩個型號的沖剪機床的246 個零件的研究, 其中箱體類零件7 個, 利用特征單元能夠建模的箱體類零件4 個, 經過對一種型號富陽起重機工具的88 個零件的研究, 其中箱體類零件5 個、利用特征單元能夠建模的箱體類零件3 個, 利用特征單元可以方便對產品零件建模。本文開發這個系統, 對于將來的推廣應用和進一步研究具有普遍意義。從溫州沖剪機床廠和富陽起重工具廠應用實踐表明,這個系統對于產品的開發和設計, 是簡單適用的。

2 特征單元

    基于特征單元的零件設計是產品設計的基礎。特征單元是設計的最基本單元, 也是加工的單元。鑄造箱體類等很多零件都是從毛坯經過冷、熱加工得到的。因此, 根據合理化工程的哲理提取出同類零件相似的功能結構, 作為基本的單元。可以減少由于設計者不同造成設計結果不同的零件數量爆炸的缺點, 通過特征單元的產品建模, 可以讓設計者自由設計而設計的工程意義可以通過特征單元來保證, 降低了系統對設計者的要求, 提高了設計效率。部分箱體特征單元有外輪廓和內部孔等單元如圖1a 和圖1b 所示, 詳細見文獻[ 6] 。

3 基于特征單元的箱體類零件自組織設計

    泵體、閥體和機體等機器或部件的外殼、機座、主體等均為箱體類零件。這類零件需要支承和固定其它零件, 其作用是保證各個零件的相對位置以及傳動的嚙合精度, 是一臺機器中的重要部件, 約占一臺機器重量的一半左右。一臺機器中箱體類零件設計的好壞與否, 直接影響到一臺機器的尺寸、重量、成本以及精度, 所以設計時應綜合考慮溫度、強度、剛度使用要求及鑄造、機械加工和裝卸工藝多方面因素, 但是箱體的結構和受力比較復雜, 一次設計分析能達到產品要求還有一定差距, 箱體零件具有以下顯著特點:

         ( 1) 內外形狀較為復雜, 毛坯多為鑄件。由于結構復雜, 一般需要三視圖來表達一個完整的箱體零件。

        ( 2) 主要用于承托軸瓦、套和軸承等, 容納軸、齒輪、彈簧、葉輪和潤滑油等, 保護內部零件。因此常帶有空腔、軸孔、內外承壁、肋、凸臺等結構。

         ( 3) 常用的底板、底座和機架等與地面連接固定, 因此常帶有定位銷孔、螺孔、光孔和凸臺結構。

        ( 4) 為使軸承和運行零件得到潤滑, 在箱底和壁部有油標和凸臺等。

         箱體類零件特征單元的空間的位置難以確定,描述困難, 但通過對箱體類零件的分析可知, 箱體的總體輪廓形狀大致為六面體形狀, 其余的特征單元分布在六個方位上。本文用方位層次樹表達特征單元的分布。特征單元是構成零件形狀的基本要素,箱體類零件的特征單元之間的關系分為兩種, 一種是主要的特征單元之間的鄰接關系, 一種是主要特征單元和輔助特征單元之間的從屬關系; 一個主要特征單元可能與多個其它主特征單元拼接, 多個輔助的特征單元可能從屬于一個主要特征單元。這種復雜的結構對于計算機內部處理極為不方便。利用方位層次樹可以形成一個二叉樹的數據結構形式。由于二叉樹結構的各種算法十分成熟, 因此, 零件結構可以清晰表達。六個方位為上、下、左、右、前、后;其標識為1, 23, 4, 5, 6。簡單箱體和方位二叉樹如圖2 所示。

   箱體的特征單元的總體形狀是比較復雜, 因此,總結歸納一些主要的輪廓形狀作為基本的特征單元。輔助特征單元是具有許多相似的結構, 因此, 可以在不同箱體之間通用, 保證設計的合理性和減少工夾具數量, 提高設計效率。箱體零件特征單元的自組織算法如下:

STEP 1: 選擇總體零件的外輪廓特征單元的ICON, 輸入參數。自動激發圖形單元規

則。

STEP 2: 如果要進行拼接, 則點選任意輪廓單元的內部區域。系統自動識別視圖和區域; 否則轉移到” STEP 4”。

STEP 2.1: 如果視圖是方位1, 則繼續; 否則轉到

“ STEP 212”。

STEP 2.1.1: 自動識別區域拼接輔助特征單元特性。

STEP 2.1.2: 選擇特征單元, 輸入參數, 激活規則。

STEP 2.1.3: 系統進行拼接。

STEP 2.1.4: 如果需要繼續拼接, 則返回到

“ ST EP 2.1.2” 。否則返回到

“ STEP 2”。

STEP 2.2: 如果視圖是方位2, 則繼續; 否則轉到

“ STEP 213”。

STEP 2.2.1: 自動識別區域拼接輔助特征單元特性。

STEP 2.2.2: 選擇特征單元, 輸入參數, 激活規則。

STEP 2.2.3: 系統進行拼接。

STEP 2.2.4: 如果需要繼續拼接, 則返回到

“ ST EP 2.2.2 “。否則返回到

“STEP 2”。

STEP 2.3: 如果視圖是方位3, 則繼續; 否則轉到

“ STEP 2.4”。

STEP 2.3.1: 自動識別區域拼接輔助特征單元特性。

STEP 2.3.2: 選擇特征單元, 輸入參數, 激活規則。

STEP 2.3.3: 系統進行拼接。

STEP 2.3.4: 如果需要繼續拼接, 則返回到

“ST EP 2.3.2 “。否則返回到

“STEP 2”。

STEP 2.4: 如果視圖是方位4, 則繼續; 否則轉到

“STEP 2.5”。

STEP 2.4.1: 自動識別區域拼接輔助特征單元特性。

STEP 2.4.2: 選擇特征單元, 輸入參數, 激活規則。

STEP 2.4.3: 系統進行拼接。

STEP 2.4.4: 如果需要繼續拼接, 則返回到

“ST EP 2.4.2 “。否則返回到

“ STEP 2”。

STEP 2.5: 如果視圖是方位5, 則繼續; 否則轉到

“”STEP 2.6”。

利用特征單元進行建模的部分箱體示例如圖3所示。箱體類零件由于其形狀復雜, 因此, 采用輪廓和內部特征單元分類進行歸納, 輪廓特征單元初步具有該類產品零件的形狀, 內部特征單元, 可以隨著該類零件的特點進行組合與互換, 形成同類箱體的變型產品, 增加了設計的柔性, 同時由于內部特征單元的規范化和合理化, 控制了設計零件和工夾具數量, 縮短了產品設計開發周期, 減少了產品成本。

4 小結

     針對機械產品的結構形狀提取出特征單元, 使特征單元的變換與產品的設計過程相結合, 真正把特征單元變成設計師思考和創造的語言。利用特征單元的ICON 信息可以方便地進行產品零件的建模。

     本文實現了基于特征單元的箱體類產品設計,提出了一系列操作算法。作為支持設計全過程的產品信息設計的特征單元技術, 使設計工作在更高層次上進行, 使設計師擺脫了傳統的基于幾何拓撲的低層次交互設計方法, 集中精力處理高層次的設計問題, 使得設計更加快速和方便, 促進了智能CAD的發展。